熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律教學(xué)

武和全 謝文洪

摘 要 詳細(xì)介紹了熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律的產(chǎn)生和發(fā)展情況以及它們之間的相互聯(lián)系。對(duì)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)一步理解熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)起到了很好的促進(jìn)作用，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第一定律 卡諾定理

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.04.039

Teaching of the First Law of Thermodynamics and

the Second Law of Thermodynamics

WU Hequan， XIE Wenhong

（College of Automative and Mechanical Engineering，

Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410114）

Abstract Details of the emergence and development of the first law of thermodynamics， the second law of thermodynamics and the linkages between them. Further understanding of the process of teaching the knowledge of thermodynamics has played a good role in promoting， improving the quality of teaching.

Key words First Law of Thermodynamics; Second Law of Thermodynamics; Carnot theorem

0 引言

“工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)”課程是主要研究熱能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換以及熱量傳遞規(guī)律的一門(mén)學(xué)科?！肮こ虩崃W(xué)及傳熱學(xué)”圍繞能量轉(zhuǎn)換與傳遞這一主線，是對(duì)工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)兩個(gè)研究方向的綜合。其特點(diǎn)是涉及內(nèi)容廣，知識(shí)點(diǎn)多，主要包括熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、熱力過(guò)程計(jì)算、傳熱學(xué)的基本概念、換熱器熱計(jì)算等。它在社會(huì)生活中的應(yīng)用是非常廣泛的，在很多領(lǐng)域包括現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和國(guó)防建設(shè)等。雖然熱機(jī)發(fā)展一百多年，已經(jīng)非常完善，很多熱力學(xué)理論已經(jīng)在實(shí)踐中得到了應(yīng)用。但是在面對(duì)如今國(guó)際社會(huì)能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題中，推進(jìn)熱力學(xué)的研究，提高能源的利用效率是解決這些問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵。而熱力學(xué)第一和第二定律是熱力學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)好并掌握這些基本理論，才能更好地研究熱能傳遞和轉(zhuǎn)換的規(guī)律并把它轉(zhuǎn)化成實(shí)際成果應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)生活之中。

1 熱力學(xué)第一定律概述

熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。能量守恒定律可以表示為：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有多種不同的表現(xiàn)形式，可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式，也可以從一個(gè)物體傳遞給另外的物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程能量保持不變。熱力學(xué)第一定律則可以表述為：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?當(dāng)一定量的熱消失時(shí)，必產(chǎn)生等量的功;消耗一定量的功時(shí)，必產(chǎn)生與之相應(yīng)數(shù)量的熱。表達(dá)式為： = △+。熱力學(xué)第一定律否認(rèn)了能量的無(wú)中生有，正因?yàn)槿绱四欠N不需要任何動(dòng)力和燃料就能持續(xù)做功的第一類永動(dòng)機(jī)只能是幻想。

能量轉(zhuǎn)換與守恒定律首先是從力學(xué)中以“活力守恒”的形式提出來(lái)的。系統(tǒng)吸熱，內(nèi)能應(yīng)增加;外界對(duì)系統(tǒng)做功，內(nèi)能也增加。若系統(tǒng)既吸熱，外界又對(duì)系統(tǒng)做功，則內(nèi)能增加等于這兩者之和。熱力學(xué)第一定律就是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。十九世紀(jì)中期，在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐和大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，它才以科學(xué)定律的形式被確立起來(lái)。著名物理學(xué)笛卡爾在1644年就提出了“運(yùn)動(dòng)守恒”的概念，隨后德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茲引入了“活力”的概念，意大利物理學(xué)家伽利略研究斜面問(wèn)題和擺的運(yùn)動(dòng)，斯蒂芬研究杠桿定理。伯努利的流體運(yùn)動(dòng)方程實(shí)際上就是流體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒定律，1834年愛(ài)爾蘭物理學(xué)家哈密頓發(fā)表論文《論動(dòng)力學(xué)的普遍方法》，提出了哈密頓原理。至此能量守恒定律及其應(yīng)用已經(jīng)成為力學(xué)中的基本內(nèi)容，為能量守恒定律的建立準(zhǔn)備了條件。1841～1843年，德國(guó)科學(xué)家邁克爾和英文物理學(xué)家焦耳提出了熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)，為熱力學(xué)第一定律的建立奠定了基礎(chǔ)。

熱力學(xué)第一定律的確立，突破了人們關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式之間相互轉(zhuǎn)換的可能性，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)換的能力也是不滅的，是物質(zhì)本身固有的。

2 熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第一定律說(shuō)明了熱能是可以轉(zhuǎn)換的，可以由熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，也可以由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能，而且能量不會(huì)消失。但是如果僅僅只是這樣，那有很多現(xiàn)象是解釋不了的。比如一輛小車(chē)給它一定動(dòng)能，讓它在路上行駛，走了一段路程后，由于小車(chē)和路面有摩擦，小車(chē)速度逐漸減小，最后停止。原來(lái)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的熱能，然而反過(guò)來(lái)，這些熱能能還給小車(chē)，再重新讓它動(dòng)起來(lái)嗎？再比如一個(gè)燒紅了的鍛件，放在空氣中便會(huì)慢慢冷卻。顯然，熱能從鍛件散發(fā)到周?chē)h(huán)境中了;周?chē)h(huán)境獲得的能量等于鍛件放出的熱量。反過(guò)來(lái)，這個(gè)已經(jīng)冷卻了的鍛件能從周?chē)h(huán)境中收回那部分散失的熱量，重新赤熱起來(lái)嗎？這樣的過(guò)程都不違反熱力學(xué)第一定律。然而，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這是不可能的。

所以在熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能這一問(wèn)題中，除了要遵循熱力學(xué)第一定律，還要滿足其它約束條件。這就是熱力學(xué)第二定律的研究?jī)?nèi)容。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)就是指出了一切自然過(guò)程的不可逆性，也就是說(shuō)自然界中的過(guò)程具有方向性。過(guò)程總是自發(fā)地朝著一定的方向進(jìn)行。機(jī)械能總是自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體等等。這些自發(fā)過(guò)程的反向過(guò)程（稱為非自發(fā)過(guò)程）是不會(huì)自發(fā)進(jìn)行的。這種不可逆的過(guò)程可以用熵來(lái)描述。自然界的一切自發(fā)過(guò)程都是朝著熵增大的方向進(jìn)行的。只有可逆過(guò)程，系統(tǒng)的熵保持不變。這就是熵增原理，這是熱力學(xué)第二定律的其中一種表述方式。

在熱力學(xué)第二定律告訴我們能量轉(zhuǎn)化具有方向性。即機(jī)械能可以百分之百的轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率不可能達(dá)到百分之百。那么熱機(jī)的效率最高能達(dá)到多少呢？1824年，法國(guó)工程師卡諾提出了一種熱效率最高的循環(huán)——卡諾循環(huán)。它包括兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程。如果把高溫?zé)嵩吹臏囟扔洖?，低溫?zé)嵩吹臏囟扔洖椋ㄟ^(guò)熱力學(xué)計(jì)算可以得到卡諾循環(huán)的熱效率表達(dá)式 = /。當(dāng)高溫?zé)嵩吹臏囟茸銐蚋?，而低溫?zé)嵩吹臏囟茸銐虻偷臅r(shí)候，卡諾循環(huán)的熱效率理論上可以無(wú)限的接近1，因此可以說(shuō)卡諾循環(huán)的熱效率最高。從中可以得出以下結(jié)論：（1）卡諾循環(huán)的熱效率只決定于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟?，也就是工質(zhì)吸熱和放熱時(shí)的溫度;（2）增大，減少，可以提高卡諾循環(huán)的熱效率;（3）卡諾循環(huán)的熱效率只能小于1，不能可能等于1。因高溫?zé)嵩吹臏囟炔荒艿扔跓o(wú)窮大，低溫?zé)嵩吹臏囟纫膊豢赡艿扔诹恪＿@就表明熱能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能;（4）當(dāng) = 時(shí)，卡諾循環(huán)的熱效率為零。這表明，在沒(méi)有溫差存在的熱力系統(tǒng)中，熱能不可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能?；蛘哒f(shuō)，單熱源的熱機(jī)，即第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。

在卡諾定理的基礎(chǔ)上，人們總結(jié)出了熱力學(xué)第二定律的兩種主要表述方式?？藙谛匏拐f(shuō)法：熱量不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體。開(kāi)爾文說(shuō)法：不可能從單一熱源取熱使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其它任何他影響。它們都說(shuō)明了自發(fā)過(guò)程的不可逆性，可以證明這兩種表述方式是等價(jià)的。那種設(shè)想把海洋或空氣當(dāng)作單一熱源，從中吸收熱量并完全轉(zhuǎn)化為有用功的第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

熱力學(xué)第二定律的意義實(shí)際已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了熱機(jī)熱效率的范疇，它指出了自然過(guò)程進(jìn)行的方向性，說(shuō)明了能量品質(zhì)的高低。

3 結(jié)語(yǔ)

熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是人們?cè)谌粘Ｉ鐣?huì)生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的普遍規(guī)律，它們被許多實(shí)驗(yàn)和具體實(shí)踐證明是正確的。熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的建立，奠定了工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)，也徹底推翻了永動(dòng)機(jī)的幻想。大學(xué)生在學(xué)習(xí)熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律時(shí)應(yīng)該理解它的內(nèi)容，實(shí)質(zhì)，掌握它的重點(diǎn)和難點(diǎn)。了解熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的發(fā)展過(guò)程，要學(xué)會(huì)自我歸納總結(jié)，做到獨(dú)立思考。教師應(yīng)該把精力放在提高熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的教學(xué)深度以及加強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用上。熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是自然界的普遍法則，蘊(yùn)含了大道理，驗(yàn)證了辯證唯物主義思想，所以教師應(yīng)該把事物發(fā)展的科學(xué)道理在這一章充分展現(xiàn)出來(lái)。熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是“工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)”課程的重要內(nèi)容，也是理工科學(xué)生必須掌握的基本知識(shí)，因此對(duì)它們進(jìn)行深入研究有利于提高課程的教學(xué)質(zhì)量。相信對(duì)熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的研究一定會(huì)推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展。

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)沙理工大學(xué)教改課題項(xiàng)目

參考文獻(xiàn)

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